CN101877548B - 用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器及光伏并网发电*** - Google Patents

Abstract

一种用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器，其输入端与光伏阵列相连，输出端与三相电网相连，包括三个并联的桥臂(a、b、c)，每个桥臂包括串联的两开关管(S₁、S₄/S₃、S₆/S₅、S₂)，串联在一起的两开关管的连接点为各桥臂的输出端，还包括有与所述三个桥臂的两端并联的中性桥臂(n)，所述中性桥臂包括串联的两开关管(S₇、S₈)，所述两开关管(S₇、S₈)的连接点构成中性桥臂的输出端，中性桥臂的输出端与三相电网的中性线相连。一种包含有上述逆变器的光伏并网发电***。该发电***对电网不平衡情况有很强的适应性，并网电流谐波含量极小。

Description

用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器及光伏并网发电***

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种三相四桥臂逆变器及包含该逆变器的光伏并网发电***。

背景技术

由于能源危机、环境污染的日益严峻等因素使越来越多的国家开始意识到加快可再生能源的开放利用才是应对日益严重的能源和环境问题、实现可持续发展的必由之路。太阳能因其清洁、高效和永不衰竭的特点成为可再生能源中最具活力的绿色能源。太阳能并网发电技术将太阳能通过并网逆变装置直接馈入电网，因其具有无需储能、结构简单等独特优势，使其很快成为世界各国专家研究的热点。太阳能并网运行方式也迅速成为光伏应用的一种主要方式。

光伏并网逆变器是太阳能发电与电网连接的桥梁，是光伏并网发电***的核心。在大功率并网电站中均采用三相并网输出方式，而三相并网逆变器性能的优劣是决定整个电站能否稳定安全运行的关键。三相光伏并网逆变器一般采用三个桥臂的结构或者三个单相全桥构成的组合式三相逆变结构，前者拓扑结构由于没有中线，所以适用于三相电网平衡的情况。但在电网质量较差的地区，三相电网电压往往不均衡，波形畸变较大，此时，三相并网逆变器就会出现并网电流谐波含量增加，***效率降低，运行不稳定，甚至不能正常工作等问题。后者拓扑结构虽然可以对三相不平衡电网正常输送电能，但其线路复杂，体积庞大，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有的光伏逆变器存在的上述不足，提供一种高效率、高可靠性、对电网不平衡有很强适应能力并使并网电流谐波含量极小的三相四桥臂逆变器及包含该逆变器的光伏并网发电***。

解决上述技术问题所采用的技术方案是该三相四桥臂逆变器，其输入端与光伏阵列相连，输出端与三相电网相连，包括三个并联的桥臂(a、b、c)，每个桥臂包括串联的两个开关管(S₁、S₄/S₃、S₆/S₅、S₂)，串联在一起的两开关管的连接点为各桥臂的输出端，该逆变器还包括有与所述三个桥臂的两端并联的中性桥臂n，所述中性桥臂包括串联的两开关管(S₇、S₈)，所述两开关管(S₇、S₈)的连接点构成中性桥臂的输出端，中性桥臂的输出端与三相电网的中性线相连。

优选的是，该三相四桥臂逆变器还包括有储能电容C，所述储能电容C并联于三个桥臂的输入端，用于储能、维持直流电压的稳定以及滤波。在光伏阵列和储能电容C之间还可串接有防反冲二极管D。

进一步优选的是，该三相四桥臂逆变器还包括有三个滤波电感(L_a、L_b、L_c)和中性线滤波电感L_n，所述三个滤波电感(L_a、L_b、L_c)分别接于三个桥臂(a、b、c)的输出端和三相电网的输入端之间，所述中性线滤波电感L_n接在中性桥臂n的输出端与三相电网的中性线之间。

其中，中性线滤波电感L_n可以改善整个三相四桥臂逆变器的整体滤波效果，抑制中线电流开关纹波，减小三相输出电压的总谐波失真(THD)值。中性桥臂(也可叫做公用桥臂)可直接控制中性点电压，从而得到3个独立电压，具有固有的不平衡处理能力，中性桥臂为不平衡电流和零序电流提供了通路，在电网不平衡条件下充分发挥调节三相输出不平衡的作用。

中性桥臂n以及中性线滤波电感L_n进行调节的调节原理如下：

图1中的电路方程分别为式(1)、(2)，表示为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]+L_n\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_n\\ i_n\\ i_n\end{array}\right]---\left(1\right)$

i_a+i_b+i_c＝i_n    (2)

式(1)为电压回路方程，式(2)为电感电流回路方程。

其中：U_a、U_b、U_c为三相四桥臂逆变器的输出电压，i_a、i_b、i_c为三相输出电流，e_a、e_b、e_c为三相电网电压，i_n为中性线电感电流，L为三相滤波电感；L_n为中性线滤波电感；

如果三相电网不平衡，则[e_a e_b e_c]′含有正序、负序和零序分量，如式(3)，

其中E_m ^p、E_m ⁿ、E_m ⁰是正序、负序、零序分量的幅值；α_p、α_n、α₀是正序、负序、零序分量的相位值。

三个桥臂a、b、c控制三相输出电压正序分量[U_ap U_bp U_cp]′和负序分量[U_an  U_bn U_cn]′，以跟随不平衡电网电压的正序和负序分量。中性桥臂n控制三相输出电压的零序分量[U_a0 U_b0 U_c0]′，以跟随不平衡电网电压的零序分量。其中，[U_ap U_bp U_cp]′为三个桥臂a、b、c分别与中性桥臂n之间的正序电压；[U_an U_bn U_cn]′为三个桥臂a、b、c分别与中性桥臂n之间的负序电压；[U_a0 U_b0 U_c0]′为三个桥臂a、b、c分别与中性桥臂n之间的零序电压。

即式(4)，

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ap}}\\ U_{\mathrm{bp}}\\ U_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{an}}\\ U_{\mathrm{bn}}\\ U_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_{a0}\\ U_{b0}\\ U_{c0}\end{array}\right]---\left(4\right)$

利用本发明三相四桥臂逆变器进行光伏发电的过程如下：太阳能光伏电池阵列将太阳光能转化为电能，通过防反冲二极管D将电能存储在储能电容C中，储能电容C放电释放能量通过本发明三相四桥臂逆变器逆变后输出交流电能，再经滤波电感并入电网。

一种光伏并网发电***，包括光伏并网逆变器，所述光伏并网逆变器采用本发明上述的三相四桥臂逆变器。

该光伏并网发电***还包括控制器、用于测量光伏阵列输出电压和电流的直流采样及调理电路、用于测量三相四桥臂逆变器输出电流的交流电流采样及调理电路、对三相电网频率和相位进行检测的过零检测电路、用于测量三相电网电压的交流电压采样及调理电路、以及三相四桥臂逆变器的驱动电路，所述直流采样及调理电路、交流电流采样及调理电路、过零检测电路、交流电压采样及调理电路分别与所述控制器的输入端相连，控制器的输出端通过驱动电路与三相四桥臂逆变器相连。

本发明光伏并网发电***结构简单，只有一个能量变换环节，提高了效率及***可靠性，更加有利于调试和维护；如果电网电压三相不平衡，并网电流的每一相均能快速跟踪电网电压的频率、相位和幅值的变化，对电网不平衡的情况有很强的适应性，且对谐波也有一定的抑制作用。

本发明光伏并网发电***将电网作为储能***，向其供电，改善了电网的电能来源结构，且由于其包含有三相四桥臂逆变器，对电网不平衡有很好的适应性，可靠性高。同时，由于充分利用太阳能这一清洁能源，可减少环境污染。

附图说明

图1是本发明三相四桥臂逆变器的电路结构图

图2是本发明光伏并网发电***的结构示意图

图中：C-储能电容  D-防反冲二极管  S₁-S₈-开关管  L_a、L_b、L_c-滤波电感  L_n-中性线滤波电感  a、b、c-桥臂  n-中性桥臂  e_a、e_b、e_c-三相电网电压  o-中性点  M-逆变主电路1-直流采样及调理电路  2-交流电流采样及调理电路  3-交流电压采样及调理电路4-过零检测电路  5-驱动电路  6-三相四桥臂逆变器  7-控制器

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细描述。

以下实施例为本发明的非限定性实施例。

图1是本发明三相四桥臂逆变器的电路结构图。该三相四桥臂逆变器在传统的三相三桥臂逆变器的基础上增加一个中性桥臂(公用桥臂)而形成的。如图1所示，本发明三相四桥臂逆变器包括防反冲二极管D、储能电容C、逆变主电路M、三个滤波电感L_a、L_b、L_c、中性线滤波电感L_n。

如图1所示，逆变主电路M由八个开关管S₁-S₈组成，每个开关管由一个IGBT与一个二极管反并联构成，采用四组2单元封装组成的IGBT模块构成逆变主电路M，其中IGBT模块可采用市售的三菱CM150DX-24A，英飞凌FF100R12YT3，赛米控SKM100GB12T4等。

逆变主电路M中三个桥臂a、b、c的组成如下：开关管S₁、S₄串联组成A相桥臂a，开关管S₃、S₆串联组成B相桥臂b，开关管S₅、S₂串联组成C相桥臂c。开关管S₇、S₈串联组成中性桥臂n，中性桥臂也称为公用桥臂。每个桥臂中，串联的两个开关管的连接点为桥臂的输出端。A相桥臂a、B相桥臂b、C相桥臂c分别与中性桥臂n组成A相全桥逆变器、B相全桥逆变器、C相全桥逆变器。三个桥臂a、b、c的输出端分别连接有滤波电感L_a、L_b、L_c，A相桥臂a、B相桥臂b、C相桥臂c通过滤波电感L_a、L_b、L_c分别与三相电网的A、B、C三相连接，公用桥臂n通过中性线滤波电感L_n与三相电网的中性点o连接。

在逆变主电路M中，三个桥臂a、b、c以及中性桥臂n的上下端点分别连接在一起，形成三相四桥臂逆变器的直流母线，上端母线为正极母线，下端母线为负极母线。储能电容C设置在光伏阵列与逆变主电路M之间，储能电容C的正极与正极母线连接，其负极与负极母线连接。为防止电网对光伏阵列反充电，在光伏阵列与储能电容C之间还设置有防反冲二极管D，其正极与光伏阵列连接，负极与储能电容C的正极连接。

本发明三相四桥臂逆变器的工作过程如下：太阳能光伏阵列将太阳光能转化为电能，经防反冲二极管D将电能存储在储能电容C中，储能电容C放电释放的能量经逆变主电路M逆变输出交流电能后经滤波电感L_a、L_b、L_c并入三相电网。

本实施例中，中性线滤波电感L_n可以改善整体滤波效果，抑制中线电流开关纹波，减小三相输出电压的总谐波失真(THD)值。公用桥臂n可直接控制中性点电压，从而得到3个独立电压，具有固有的不平衡处理能力，公用桥臂n为不平衡电流和零序电流提供了通路，充分发挥在电网不平衡条件下调节三相输出不平衡的作用。

图2是本发明光伏并网发电***的结构示意图。如图2所示，本实施例中，光伏并网发电***包括三相四桥臂逆变器6、控制器7、直流采样及调理电路1、交流电流采样及调理电路2、过零检测电路4、交流电压采样及调理电路3、驱动电路5。其中，控制器7采用高速数字信号处理器DSP TMS320F2812。

光伏阵列通过储能电容C与三相四桥臂逆变器6的输入端相连，三相四桥臂逆变器6的输出端通过滤波电感L_a、L_b、L_c和中性线滤波电感L_n分别与三相电网的A、B、C三相以及中性点连接。直流采样及调理电路1设在光伏阵列的输出端，用以测量光伏阵列输出的电压和电流信号，并将所获的电信号传送给控制器7进行处理，以实现对光伏阵列最大功率跟踪控制。交流电流采样及调理电路2设置在三相四桥臂逆变器6的输出端，用以测量三相四桥臂逆变器6输出的三相电流和中性线滤波电感电流，并将所获得的电信号传送给控制器7进行处理，以对三相四桥臂逆变器6的输出波形进行控制。交流电压采样及调理电路3和过零检测电路4设置在滤波电感L_a、L_b、L_c以及中性线滤波电感L_n与三相电网之间，交流电压采样及调理电路3用以测量三相电网电压，并将测得的信号传送给控制器7进行处理，以实现对输入电网波形的控制。过零检测电路4对三相电网的频率和相位进行检测，并将检测信号传送给控制器7进行处理，以实现锁相并网功能。控制器7将直流采样及调理电路1、交流电流采样及调理电路2、交流电压采样及调理电路3和过零检测电路4采集的信号经运算处理后产生控制信号并将该控制信号传送给驱动电路5，由驱动电路5驱动三相四桥臂逆变器6中的逆变主电路M，使每一相都能独立快速跟踪电网电压的频率、相位和幅值的变化。

控制器7实现光伏阵列最大功率跟踪调节的方式是：(1)当增加本发明逆变器的输出功率(即加大并网电流)时，瞬态下储能电容C的电压保持不变，太阳能电池板的输出电压暂时不变，光伏阵列的输出电压与储能电容C的电压一致，太阳能电池板的输出功率也暂时不变。此时逆变器的输出功率大于输入功率，储能电容C放电，太阳能电池板的输出电压减小，太阳能电池板的输出功率发生变化。将此时太阳能电池板的输出功率与调节前的输出功率进行比较，如果输出功率增加，则表明输出功率随着输出电压的减小而增加，工作点位于最大功率点的右边，调节方向正确，可继续增加并网电流。若太阳能电池板的输出功率较调节前的小，则表明输出功率随着输出电压的减小而减小，工作点位于最大功率点的左边，调节方向错误，此时太阳能电池板的输出功率比调节前小，而逆变器的输出功率却比调节前大，这是储能电容C放电引起的，因此需减小并网电流。(2)当减小逆变器的输出功率(即减小并网电流)时，瞬态下储能电容C的电压不变，太阳能电池板的输出电压暂时不变，太阳能电池板的输出功率也暂时不变。此时逆变器输出功率小于逆变器输入功率，储能电容C充电，电池板的输出电压增大，将此时电池板的输出功率与调节前的输出功率比较，如果增加，则表明电池板输出功率随着输出电压的增大而增加，工作点位于最大功率点的左边，调节方向正确，继续减小并网电流，此时逆变器的输出功率比调节前小，而太阳能电池板的输出功率却比调节前大，这是因为电容充电引起的。如果太阳能电池板的输出功率较调节前的输出功率小，则表明输出功率随着输出电压的增大而减小，工作点位于最大功率点的右边，调节方向错误，需增大并网电流。如此反复不停的调节，可以使太阳能电池板输出在最大功率点。

Claims (6)

1.一种用于光伏并网发电的三相四桥臂逆变器，其输入端与光伏阵列相连，输出端与三相电网相连，包括三个并联的桥臂(a、b、c)，每个桥臂包括串联的两开关管(S₁、S₄/S₃、S₆/S₅、S₂)，串联在一起的两开关管的连接点为各桥臂的输出端，其特征在于该逆变器还包括有与所述三个桥臂(a、b、c)的两端并联的中性桥臂(n)，所述中性桥臂包括串联的两开关管(S₇、S₈)，所述两开关管(S₇、S₈)的连接点构成中性桥臂的输出端，中性桥臂的输出端与三相电网的中性线相连；

该三相四桥臂逆变器还包括有三个滤波电感(L_a、L_b、L_c)和中性线滤波电感(L_n)，所述三个滤波电感(L_a、L_b、L_c)分别接于三个桥臂(a、b、c)的输出端和三相电网的输入端之间，所述中性线滤波电感(L_n)接在中性桥臂(n)的输出端与三相电网的中性线之间；

其中，中性桥臂(n)以及中性线滤波电感(L_n)对三相输出按照以下方式进行调节：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=L\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]+L_n\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_n\\ i_n\\ i_n\end{array}\right]---\left(1\right)$

i_a+i_b+i_c＝i_n   (2)

其中：U_a、U_b、U_c为三相四桥臂逆变器的输出电压，i_a、i_b、i_c为三相输出电流，e_a、e_b、e_c为三相电网电压，i_n为中性线电感电流，L为三相滤波电感；

如果三相电网不平衡，则三相电网电压[e_a e_b e_c]′含有正序、负序和零序分量，如式(3)，

其中分别是正序、负序、零序分量的幅值；α_p、α_n、α₀分别是正序、负序、零序分量的相位值；

三个桥臂(a、b、c)控制三相输出电压正序分量[U_ap U_bp U_cp]′和负序分量[U_an U_bn U_cn]′，以跟随不平衡电网电压的正序和负序分量；中性桥臂(n)控制三相输出电压的零序分量[U_a0 U_b0 U_c0]′，以跟随不平衡电网电压的零序分量；其中，[U_ap U_bp U_cp]′为三个桥臂(a、b、c)分别与中性桥臂n之间的正序电压；[U_an U_bn U_cn]′为三个桥臂(a、b、c)分别与中性桥臂n之间的负序电压；[U_a0 U_b0 U_c0]′为三个桥臂(a、b、c)分别与中性桥臂n之间的零序电压，

即如式(4)所示，

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ap}}\\ U_{\mathrm{bp}}\\ U_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{an}}\\ U_{\mathrm{bn}}\\ U_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{U}_{a0}\\ U_{b0}\\ U_{c0}\end{array}\right].---\left(4\right)$

2.根据权利要求1所述的三相四桥臂逆变器，其特征在于该三相四桥臂逆变器还包括有储能电容(C)，所述储能电容(C)并联于三个桥臂(a、b、c)的输入端。

3.根据权利要求2所述的三相四桥臂逆变器，其特征在于在光伏阵列和储能电容(C)之间还串联有防反冲二极管(D)。

4.一种光伏并网发电***，包括光伏并网逆变器，其特征在于所述光伏并网逆变器采用权利要求1-3之一所述的三相四桥臂逆变器。

5.根据权利要求4所述的光伏并网发电***，其特征在于该光伏并网发电***还包括有控制器(7)、用于测量光伏阵列输出电压和电流的直流采样及调理电路(1)、用于测量三相四桥臂逆变器输出电流的交流电流采样及调理电路(2)、对三相电网频率和相位进行检测的过零检测电路(4)、用于测量三相电网电压的交流电压采样及调理电路(3)、以及三相四桥臂逆变器的驱动电路(5)，所述直流采样及调理电路(1)、交流电流采样及调理电路(2)、过零检测电路(4)、交流电压采样及调理电路(3)分别与所述控制器(7)的输入端相连，控制器的输出端通过驱动电路(5)与三相四桥臂逆变器(6)相连。

6.根据权利要求5所述的光伏并网发电***，其特征在于所述控制器(7)采用DSP TMS320F2812。